基于单层偏振转换超表面的大角度宽频后向散射增强技术

《Optics and Lasers in Engineering》：Large-angle and broadband backscattering enhancement based on a single-layer polarization conversion metasurface

偏振转换超表面（PCPGM）通过集成广义斯涅尔定律、单元偏振转换特性与相位梯度阵列，实现大斜角（55.8°-60°）下10-20 GHz宽频带高效后向散射，原型实测交叉极化隔离达35.7 dBm2，超越多层偏置调控结构，兼具低传输损耗与强抗干扰能力。

　　

摘要

在这项研究中，我们提出了一种偏振转换相位梯度超表面（PCPGM）。该超表面能够在宽频范围内实现高效的大角度斜入射反射。这项技术基于广义斯涅尔定律、元件的偏振转换特性以及相位梯度阵列的集成。仿真结果表明，由双谐振环状贴片组成的偏振转换超表面能够提供超过303.7°的相位偏移，同时保持80%以上的偏振转换效率。设计的相位梯度阵列在12 GHz的优化频率和60°的斜入射角度下，能够产生15.3 dBm2的最大雷达截面积。此外，在10–20 GHz的宽频范围内也能保持高效的反射性能。实现精确反射所需的3 dBm2有效带宽为4.57%。制造并测量了一个总面积为300 × 300 mm2的超表面原型，证实PCPGM在12 GHz和55.8°的大入射角度下实现了35.7 dBm2的交叉极化隔离度。这一在大入射角度下的交叉极化隔离度优于多层偏置控制网络结构所报告的数值。单层PCPGM易于制造，在大入射角度下表现出稳定的性能、优异的偏振隔离度、高的抗干扰能力和低的传输损耗。本研究有助于实现实用应用中高效稳定的雷达回波信号。

章节片段

引言

反射是一种特殊的异常散射现象，其中入射波被精确地反射回源头。反射在被动探测、光学校准和目标跟踪等领域发挥着越来越重要的作用。传统的反射器旨在增强具有低固有后向散射特性的目标的雷达截面积（RCS）。常见的例子包括角反射器[1,2]、吕纳堡透镜反射器[3]和猫眼反射器[4]。

设计原理

根据广义斯涅尔定律，当电磁（EM）波与反射超表面相互作用时，通常会表现出异常的反射行为[50]，如图1所示。入射角θ_i与反射角θ_r之间的关系为： $\sin {\theta }_r?\sin {\theta }_i=k_0\Delta \phi$ 其中 k₀ = λ/(2πn_i) 是自由空间波矢的振幅，λ 是入射波的波长，n_i 是真空的折射率（约为1）。Δφ 是相位差。

测量结果与讨论

使用印刷电路板（PCB）工艺制造了一个物理原型。该设计采用了双面铜包覆的介电基板来验证所设计超表面的性能。顶层上的贴片图案通过激光蚀刻系统进行化学蚀刻，蚀刻精度达到0.02 mm。如图6所示，制造过程包括以下步骤：切割和干燥铜包覆层压板，准备蚀刻用的贴片图案。

结论

总结来说，本研究提出了一种基于广义斯涅尔定律及其单元件偏振转换特性的PCPGM。该超表面旨在在10–20 GHz的宽频范围内实现高效的大角度斜入射反射。设计、制造并测量了一个具有增强后向散射能力的原型。仿真和测量结果均表明，在60°的斜入射角度下，该超表面表现出频率依赖性的反射性能。

CRediT作者贡献声明

戴伟：撰写——原始草案、方法论、调查、形式分析、数据整理。刘永强：撰写——审阅与编辑、验证、概念化。尹宏成：资源获取、项目管理、方法论。李增瑞：可视化、验证、监督、概念化。张月毅：验证、软件开发、资源协调。杜超海：可视化、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作部分得到了国家自然科学基金（项目编号62401036和U2241229）的支持。